設施農業(yè)氣象裝備技術現(xiàn)狀
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摘要：設施農業(yè)氣象服務是氣象服務的特殊領域。日光溫室內外氣象要素的關系模型的建立是設施農業(yè)氣象預報的關鍵，溫室內部觀測數(shù)據(jù)的準確性是建立數(shù)學模型的基礎。本文對溫室環(huán)境實測監(jiān)測設施的應用情況和設施農業(yè)氣象裝備領域發(fā)展現(xiàn)狀進行闡述，表明設施農業(yè)氣象裝備在觀測準確性上不能完全滿足建立數(shù)學分析模型和設施環(huán)境調控的要求。針對現(xiàn)有問題從加強裝備精準研究和專業(yè)合作方面提出相應的對策，為提高設施農業(yè)氣象裝備發(fā)展及服務水平等方面提供發(fā)展思路。
關鍵詞：設施農業(yè)；氣象裝備；土壤水分；對策
1溫室氣象災害及預警
由氣象災害導致溫室災害主要是兩個方面：一是溫室設施受到的外界大風、暴雨（雪）和冰雹等氣象災害造成農業(yè)設施破壞性的機械損失和物理損傷；二是溫室作物本身因強降溫、連陰天、久陰驟晴和高溫等天氣現(xiàn)象導致危害設施內作物生長發(fā)育和產品形成過程中出現(xiàn)的病害、蟲害等。在我國北方主要有掀棚大風，暴雪垮棚，低溫寡照、高溫熱害等4種設施農業(yè)氣象災害。其中掀棚大風、暴雪垮棚氣象災害程度是溫室結構設計、棚膜預防及保護措施的關鍵指標；溫室內低溫寡照和高溫熱害是蔬菜減產和降低品質的重要因素。在研究氣象觀測場的大氣候與溫室內小氣候的定量關系和溫室內小氣候對作物的災害影響指標的基礎上，制定形成的災害標準為農業(yè)基礎設施建設、災害防御和預警、防災減災決策等方面提供準確的技術依據(jù)?，F(xiàn)有的設施作物氣象災害預警方法主要根據(jù)實時觀測數(shù)據(jù)對比災害指標判斷其災害標準的級別，結合氣象臺天氣預報結果來進行災害預警；也可以采用數(shù)值預報產品，結合1～2d日光溫室內氣象要素和未來1～2d溫室外的氣象因素值，利用統(tǒng)計學方法建立預報模型，預報日光溫室內主要氣象要素（最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、太陽能輻射量、日照時數(shù)等）的農用天氣預報［3］。
2溫室內環(huán)境監(jiān)測設施及氣象調控
溫室內小氣候變化過程和垂直分布規(guī)律與溫室外氣候要素的關系是研究氣象災害標準及農用天氣預報的關鍵［4］。隨著氣象觀測自動化的水平的提高，可在溫室內安裝實時監(jiān)測輻射、光照度、二氧化碳、氣溫、地溫、相對濕度、風向風速、土壤水分等多要素的氣象監(jiān)測儀，熟悉作物對各類氣象要素需求的農業(yè)氣象指標，研究設施要素的調控方法，建立氣象環(huán)境綜合調節(jié)的數(shù)學模型?？衫梦锫?lián)網(wǎng)技術將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、動態(tài)模型預測及專家知識推理數(shù)據(jù)庫相結合，建立管理決策數(shù)據(jù)平臺，通過移動終端或手機APP等技術實現(xiàn)與用戶的聯(lián)動?？ψ髿庀缶指鶕?jù)多年人工觀測，探索出日光溫室內氣象調控的有效方法：（1）懸掛“防寒裙”提高棚前沿地溫和氣溫：在溫室大棚前沿掛1m左右的“防寒裙”解決了棚內前沿地溫偏低的問題。（2）采用透光率高的棚膜增加光照，可起到增加棚內太陽輻射量，提高氣溫，降低濕度的作用。（3）棚后墻懸掛反光幕提高地溫、增加光照強度技術。（4）調控濕度：采用滴灌，防止漫灌、采用煙劑、粉劑防病治蟲，減輕棚室濕度、調控棚室溫濕度，調控生態(tài)條件防治病蟲害。（5）采用壟鑫處理棚室土壤，消毒、增產、防治病蟲害效果明顯。（6）采用秸稈生物降解技術改善棚室土壤，提高地溫和CO2濃度。（7）裝置植物生長燈，增光補溫。（8）雙層覆蓋防寒保溫：增加大棚的覆蓋物，雙層（一層草簾、一層棉被）或加厚草（氈）簾等。（9）預防高溫天氣：用溫室大棚遮陽降溫涂料涂抹棚膜或棚膜外加遮光網(wǎng)。（10）增溫控濕、通風透光防治棚內病蟲害的發(fā)生。（11）增施CO2濃度，提高作物品質和產量［5］。
3設施農業(yè)氣象裝備技術
新型溫室設施裝備技術系統(tǒng)包括：溫室控制系統(tǒng)、溫室通風系統(tǒng)、溫室灌溉系統(tǒng)、溫室移栽系統(tǒng)［9］。其中溫度、濕度、光照、太陽輻射量等農業(yè)氣象環(huán)境要素的觀測數(shù)據(jù)既是設施農業(yè)調控技術的基本數(shù)據(jù)，也是建立氣象預報預警數(shù)學模型的關鍵，觀測數(shù)據(jù)主要通過自動農業(yè)氣象觀測系統(tǒng)獲取，張雪芬研制的自動農業(yè)氣象觀測系統(tǒng)具有作物生長、農田氣象要素觀測和環(huán)境監(jiān)控的功能，可開展作物生長、田間小氣候和土壤水分自動化觀測［14］。袁光明設計的農業(yè)氣象觀測數(shù)據(jù)自動化處理系統(tǒng)可以使觀測資料實現(xiàn)自動處理、生成報表及歷史資料的查詢等功能［15］。從目前的農業(yè)氣象自動觀測裝備技術來看，在自動觀測數(shù)據(jù)獲取方面可實現(xiàn)作物生長的動態(tài)跟蹤、氣象要素的空間、時間的加密觀測及大數(shù)據(jù)處理的能力。因我國北方設施農業(yè)以日光溫室為主，傳統(tǒng)的溫室結構絕大多數(shù)只能起到一定的保溫作用，在冬季棚內外環(huán)境溫差大、晝夜溫差大，自動氣象站觀測數(shù)據(jù)的準確性受環(huán)境及裝備性能的影響會出現(xiàn)誤差，如濕度傳感器因長期處于高濕變溫的環(huán)境，易因遲滯現(xiàn)象導致數(shù)據(jù)測量值誤差偏大；土壤濕度觀測值分層自動觀測值與經驗值不符；百葉箱的通風導致自動傳感器的測量值與比對用水銀溫度計觀測值有明顯偏差等。這些由儀器引入的誤差導致觀測數(shù)據(jù)結果與人工觀測值和經驗值不符，如2012年10月17日～2014年2月20日時段，從喀左農業(yè)設施基地進行了人工與自動觀測設備的對比觀測的結果表明：人工觀測共52d的逐時連續(xù)觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，人工觀測棚內相對濕度平均為87％，分別高于田間小氣候自動觀測儀數(shù)據(jù)7％；高于自動預警儀數(shù)據(jù)15％。2014年2月25日～3月9日喀左縣氣象局技術人員在天盛莊園葡萄棚內進行了13d的觀測，每h觀測1次，測出深圳某公司自動放風儀器感應器的平均相對濕度差與人工觀測相差（比人工低）27％。觀測結果的偏差給掌握作物與環(huán)境因子交互作用規(guī)律探索不同作物對環(huán)境響應的定量關系方面、實現(xiàn)溫室環(huán)境控制等方面的研究與應用帶來困擾［10］。
4提高設施農業(yè)氣象觀測數(shù)據(jù)的準確性
自動農業(yè)氣象觀測系統(tǒng)是通過傳感器感應氣象要素的變化并轉換成電信號，由信號轉換模塊經過數(shù)據(jù)采集裝置及通訊系統(tǒng)實現(xiàn)氣象觀測的自動化功能，傳感器的濕敏元件的特性是保證氣象觀測數(shù)據(jù)的準確性關鍵技術，新機理和高靈敏度的傳感器是突破氣象觀測領域開發(fā)的先驅。
41濕度觀測裝備的關鍵技術
濕度傳感器主要有電容式、電阻式和熱電偶式3種類型，目前，應用在氣象觀測領域大多為電容式濕度傳感器。電容型濕度傳感器的濕敏元件感濕原理是濕敏材料的特征參量隨其內部水分子含量濃度的線性變化。故濕敏元件的線性度、響應時間、濕滯等靜態(tài)特性是是衡量濕敏元件性能的主要指標，濕敏材料的濕滯和動態(tài)響應特性及其水蒸氣傳質機理是研究濕敏元件技術指標的關鍵技術［20］。研究結果表明，濕敏材料感濕膜的厚度、濃度對水分子有效滲透系數(shù)和有效擴散系數(shù)具有顯著的影響，但不是唯一要素，環(huán)境溫度的升高，使水蒸氣的飽和壓力增大，進而影響水分子有效滲透系數(shù)和吸附時間，因在溫室大棚內的密閉空間，經常出現(xiàn)高溫高濕、低溫高濕的情況，如果濕敏元件選擇不當，會直接影響濕度觀測結果的準確性。
42土壤水份觀測的關鍵技術
土壤水分監(jiān)測儀器的駐波比法直接得到的土壤容積含水率與人工觀測烘干稱重法通過土壤重量含水率與土壤容重計算后得到的容積含水率的值存在著偏差，如喀左縣氣象部門業(yè)務使用的自動土壤水分測量儀，2018年9月1日～2018年11月20日期間對0～100cm等8個土層的土壤水分觀測儀器進行自動站與人工對比試驗。試驗結果表明：各層次正差值在1．2％～18．1％之間，最大值18．1％和最小值1．2％均出現(xiàn)在40～50cm層次。自動站與人工觀測土壤相對濕度值負差值在－0．6％～－5．4％之間，最大值－5．4％出現(xiàn)在20～30cm，最小值－0．6％出現(xiàn)在10～20cm深度。因此，自動站觀測值總體高于人工觀測值，其中20～30cm偏低較多，40～50cm偏高較多，0～10cm和30～40cm層次差別較小。影響自動觀測測量準確性的關鍵點有兩個，一是自動監(jiān)測儀器的相對濕度等最終觀測結果的準確性與各土層的土壤常數(shù)值直接相關，故人工測量的土壤常數(shù)的準確性能直接影響自動監(jiān)測儀器的觀測結果；二是監(jiān)測儀器的投入業(yè)務運行前，用傳感器輸出值與人工的比對結果計算修正值，將數(shù)據(jù)修正后的終值作為觀測結果，故修正值的準確性直接影響觀測質量。因土壤水分的觀測與土壤特性等相關參數(shù)關聯(lián)密切，為了保證觀測數(shù)據(jù)的準確性，有必要和人工觀測對應的觀測要素值實施在線比對和定期修正，才能使裝備穩(wěn)定特性與人工比對相結合，才能真正減小自動土壤水分的駐波比法與人工烘干法的觀測結果的數(shù)據(jù)偏差，將這種比對后的偏差控制在允許的范圍內才能確保自動觀測數(shù)據(jù)的準確性，確保數(shù)據(jù)準確及可業(yè)務化，實現(xiàn)土壤水份觀測的自動化觀測儀器能夠在氣象預報、科研領域的應用。
5結論
51設施農業(yè)氣象裝備發(fā)展面對的方向
設施農業(yè)應用設施及環(huán)境調控手段，為作物生長提供相對適宜的氣象環(huán)境條件，但目前我國日光溫室發(fā)展的還處于初級階段，設施農業(yè)還沒完全擺脫自然環(huán)境對作物產量、質量的危害，設施農業(yè)氣象發(fā)展還以應對自然災害防災減災為主要方向，為了適應地域、氣候及防災減災的特點，其觀測裝備的觀測手段不宜千篇一律，應在不同空間層次、觀測要素等方面有所調整，如北方以適應防掀棚大風，暴雪垮棚，低溫寡照、高溫熱害及病蟲害的氣象災害配備相應的觀測裝備等。環(huán)境調節(jié)的基礎數(shù)據(jù)來自于溫室內部的氣象觀測數(shù)據(jù)，目前國內在天氣、航空、軍事預報等方面已具備先進、精準的氣象新型裝備科研技術成果，可結合溫室內部的特殊環(huán)境進行農業(yè)氣象裝備科研領域方面的技術融合，另一方面應加強與植保等部門之間的科研合作，將氣象裝備與植保裝備相結合，一方面加強觀測數(shù)據(jù)的準確性，另一方向提高裝備的有效綜合利用。
52加強關鍵技術裝備的研制與探索
提高監(jiān)測裝備的數(shù)據(jù)準確性，加強對發(fā)展成熟的觀測裝備如空氣及土壤溫濕度傳感器的精準度的深入研究，從傳感器感應元件材料、傳感器特性與觀測介質（土壤、作物等）相適應的修正方法和特性方程的研究和新型氣象要素觀測裝備如太陽光譜、CO2濃度與作物生長、病蟲害關系的理論化深入研究與探索。利用先進氣象設施，結合數(shù)值預報產品，做好溫室大棚農用天氣預報，搞好綜合氣象調控技術研發(fā)推廣，減少防治病蟲農藥的用量，提高溫室作物的品質，讓老百姓吃上放心菜，用科技手段提高作物的綜合生產能力，實現(xiàn)產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
作者：沙莉 孫立德 張晶丹 馬成芝 單位：遼寧省氣象裝備保障中心 遼寧省喀左縣氣象局 沈陽農業(yè)大學
